引言煤炭作为我国能源结构的重要组成部分，是国内电力工业能源的主要消耗来源。火电机组占全国发电装机总容量的60%，燃煤过程中产生的氮氧化物、二氧化硫和灰尘等污染物，是造成大气污染的主要因素之一。为了减少氮氧化物排放对大气污染造成的危害，2011年我国发布《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）[1]，规定燃煤电厂NOx排放浓度限值为100 mg/m3。2014年发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014~2020年）》规定，2020年前，燃煤电厂的NOx排放浓度限制在50 mg/m3以下[2]。部分地区出台新建锅炉NOx排放低于30 mg/m3的要求[3]。目前，火电机组的NOx超低排放通过低氮燃烧技术和SCR脱硝技术实现，低氮燃烧技术大体可分为3类：低氮燃烧器、空气燃烧技术和燃料分级燃烧技术。低氮燃烧技术通过改变燃料燃烧的温度、氧含量等条件减少NOx的生成。选择性催化还原法(SCR)采用钒系催化剂（常用V2O5），烟气中NOx与还原剂NH3在一定温度范围内(280~420 ℃)发生还原反应，生成N2和H2O，SCR技术的脱硝效率可以达90%以上[4]。由于SCR技术在脱除氮氧化物时会消耗还原剂氨，为了达到超低排放标准，脱硝系统容易喷氨过量而产生氨逃逸问题，会在空预器内形成硫酸氢氨，造成堵塞，威胁设备安全[5]。影响脱硝效率的因素不仅包括反应器布置方式、催化剂活性、烟气温度，还包括流场和浓度场的均匀度。周智健[6]等对660 MW燃煤机组的SCR装置进行CFD仿真模拟，指出顶部导流板应与反应塔的楔形倾角相同，此时流场分离的程度最小，并提出分区喷氨的优化策略，使脱硝效率明显提高。李源[7]等对650 MW的W型炉进行分区流场优化，计算非均匀来流条件下各分区所需的喷氨量，合理调整喷口流量，以解决氨逃逸率高等问题。受现场环境的限制，大部分机组在实地测量工作中仅能够在有限位置取一定数量的采样点，以分析装置内部的流场和浓度场问题，难以对全流域展开分析，优化手段有限。文中以国内某600 MW的燃煤机组SCR脱硝装置为研究对象，采用CFD数值计算方法，分析60%负荷段脱硝装置内部的流场和氨氮混合情况，对脱硝装置内导流板的优化和喷氨装置的调控提出建议。1模型及计算方法1.1物理模型按1∶1的比例建立三维烟道模型，烟气从省煤器出口流入，经过入口和下部弯头导流板，进入氨氮混合器区域，喷氨装置由12根直径150 mm的喷氨管构成，喷氨管上侧布置涡盘混合器，气体混合充分后进入反应塔，在三层催化剂层开展催化还原反应，降低烟气中NOx含量，SCR装置结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.023.F001图1SCR装置结构烟气沿x方向，以6.6 m/s的速度流入SCR装置，流动为湍流形式，入口截面积26.73 m2，入口烟气温度350 ℃，烟气密度0.6 kg/m3，出口烟气温度290 ℃，出口压力-760 Pa。1.2计算方法及网格划分利用壁面绝热和无滑移条件，计算方法选择基于压力耦合方程组的半隐式方法(Simple)，计算模型采用湍流k-ε双方程模型，迭代过程采用低松弛迭代变松弛因子法。采用组分输运模型，设置每个喷氨喷管入口速度为5 m/s，其中NH3体积分数为5%。速度残差收敛条件为10-4。催化剂层采用多孔介质模型进行简化。网格数量为471万，SCR装置面网格划分结果如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.023.F002图2SCR装置面网格划分结果k-ε双方程模型的数学描述为：∂∂tρk+∂∂xiρkui=∂∂xjμ+μtσk∂k∂xj+Gk+Gb-ρε-YM+Sk (1)∂∂tρε+∂∂xiρεui=∂∂xjμ+μtσε∂ε∂xj+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k+Sε (2)式中：ρ——密度，kg/m3；k——湍流动能强度，J；ε——湍流耗散率；xi、xj——分别表示不同方向的距离，m；μ——流体动力黏度，Pa·s；σ——表面张力，N/m；Gk、Gb——分别表示平均速度梯度、浮力引起的湍动能项；YM——湍流脉动项，在不可压缩流动中取0；C1、C2——经验常数，分别取1.44、1.92；Sk、Sε——用户定义的源项，均取0。2结果与讨论2.1机组内部的流场分布情况机组负荷设定60%，对SCR装置进行流场计算，z=0截面的速度分布情况如图3所示。全域内最高速度出现在下弯头处，该位置的通流面积较小，高流速有利于减少烟道内积灰现象的发生。进入反应器后烟气流动区域范围扩大，流速降低，流动均匀性下降。在整流格栅下侧，反应器外墙处的流速比内墙高出1.0~1.5 m/s，因为反应器上层的空间较大，导流板的引流作用有限，流速较高的烟气进入反应器后直接冲向后墙，经过3层催化剂作用后，流出反应器处的速度分布较为均匀。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.023.F003图3z=0截面的速度分布情况反应器上层流线分布（标注第一层氧化剂位置）如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.023.F004图4反应器上层流线分布（标注第一层氧化剂位置）由图4可知，反应器上层的流线分布呈现右侧较密、左侧较疏的现象，表明烟气向后墙流动的流量更大，靠近后墙的整流格栅受飞灰冲蚀的效果更严重。第一层催化剂前的流线倾角呈现中间较高、两侧较小的特征，倾角较大（攻角为30°~60°），会对第一层催化剂造成磨损[8]，降低催化剂效率，可以对第一层催化剂层中间区域模块进行修补或替换，以减轻不良影响。第一层催化剂上层0.5 m位置的速度和压力分布如图5所示。图5第一层催化剂上层0.5 m位置的速度和压力分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.023.F5a1（a）催化剂上层截面速度云图10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.023.F5a2（b）催化剂上层截面压力云图由图5可知，取32 000个点，计算催化剂上层截面的速度偏差为20.5%，除后墙速度高于2 m/s外，内部速度为1.0~1.7 m/s，截面中心和左下侧局部速度分布较低，这是由于速度沿x方向不均匀导致。入口烟气经过变径烟道后，烟气左右侧的流量变得不均等，经过混合器和导流板作用后，虽然流量分布逐渐均匀，但未能够完全抵消速度分布偏差。催化剂上层截面中间压强最低处和后墙压强最大处的偏差约为1 Pa，在压差的推动下，后墙流线向前墙移动，流线倾角变大，中间位置的倾角最高。因此，可以在脱硝装置入口的变径烟道处增加导流板的数量，改变烟气进入反应器前的烟气速度条件。2.2氨氮混合浓度场分析标准的SCR脱硝反应式，理论上氨氮物质的量之比为1，为了保证脱硝反应过程充分，可以适当提高氨的占比，但是氨的占比过高会引起氨逃逸量增加。在催化剂上层0.5 m位置截面，分析氨氮混合效果，第一层催化剂上层氨氮浓度比及涡盘处喷氨设备流线分布如图6所示。在模拟均匀喷氨的条件下，氨氮混合浓度偏差为22.1%，高于设计要求水平，对脱硝过程会产生不利影响。图6(a)左侧截面的氨氮物质的量之比小于1，右侧的氨氮物质的量之比高于1.5，在中间形成物质的量之比介于1.1~1.4的分界带。在右侧区域，物质的量之比较高的原因主要为烟气量少，所需的还原剂NH3少，此外还可能与混合器的设计结构有关。分析氨的流线分布结果，进入反应器的流线有明显向反应器后墙斜向流动的趋势，喷口3和喷口4流线倾斜幅度较为明显，直接流向左后方，是引起氨氮物质的量之比高的原因之一。物质的量之比低的区域，比如靠近前墙的某些位置低于0.8，说明对应的喷氨管7、9、11的喷氨用量应该提高。为了提升物质的量之比分布的合理性，可以对现有12个喷氨支管进行适当分区，根据现有氨氮分布结果，至少应分成4个分区，每区对应3个喷嘴，各区的喷氨用量应根据烟气中氮氧化物的含量折算成所需的氨空混合气的用量。图6第一层催化剂上层氨氮浓度比及涡盘处喷氨设备的流线分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.023.F6a1（a）第一层催化剂上层氨氮浓度比10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.023.F6a2（b）涡盘处喷氨设备流线分布3结语反应器上层的流场分布不均匀，通过在装置入口的变径烟道前安装一定数量的导流板可以改善进入反应器的烟气流速条件。整流格栅下层的流线倾角较大，对第一层催化剂的中间区域的冲刷比较严重，建议调整扰流杆的数量，并及时更换催化剂模块。均匀喷氨方式的氨氮浓度场均匀性较差，反应器截面上NOx分布状况不同，建议将现有喷氨设备至少分成4个分区，增设自动调门以实现分区自动调控。